(57)【要約】【課題】箔状の集電体が積層されて成る集電体積層部の各層が十分に接合され、集電端子が該集電体積層部から剥離され難い接合強度に優れた信頼性の高い二次電池を提供する。【解決手段】本発明により提供される二次電池は、捲回電極体の両端部に構成された正負極それぞれの集電体積層部のうち少なくとも一方の極の集電体積層部は、超音波溶接により上記集電端子と接合されており、上記超音波溶接により上記集電体積層部の表面側に形成された溶接凹部の数は、上記集電端子の表面側に形成された溶接凹部の数よりも、相対的に少なく、該集電体積層部の表面側に形成された溶接凹部の陥没は、該集電端子の表面側に形成された溶接凹部の陥没よりも深く形成されていることを特徴とする。【選択図】図２
2010282846.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
箔状の正極集電体および負極集電体の表面にそれぞれ正極活物質層および負極活物質層が形成された正極および負極をセパレータと共に捲回してなる捲回電極体と、該捲回電極体に接合された正負極それぞれの集電端子とを備える二次電池であって、
前記捲回電極体における捲回軸方向の両端部のうちの一方の端部は、前記正極活物質層の形成されていない正極活物質層非形成部が負極からはみ出た状態で積層されて構成され、且つ、該両端部のうちの他方の端部は前記負極活物質層の形成されていない負極活物質層非形成部が正極からはみ出た状態で積層されて構成され、
前記捲回電極体の両端部に構成された正負極それぞれの集電体積層部のうち少なくとも一方の極の集電体積層部は、超音波溶接により前記集電端子と接合されており、
前記超音波溶接により前記集電体積層部の表面側に形成された溶接凹部の数は、前記集電端子の表面側に形成された溶接凹部の数よりも相対的に少なく、且つ、該集電体積層部の表面側に形成された溶接凹部の陥没は、該集電端子の表面側に形成された溶接凹部の陥没よりも深く形成されていることを特徴とする、二次電池。
【請求項２】
前記正極集電体および前記正極集電端子の構成材料としてアルミニウムが使用され、前記負極集電体および前記負極集電端子の構成材料として銅が使用された二次電池であって、該電池の正極側が超音波溶接で接合されている、請求項１に記載の二次電池。
【請求項３】
前記集電体積層部と前記集電端子との接合面積は、正極側に形成された接合面積の方が負極側に形成された接合面積よりも大きい、請求項２に記載の二次電池。
【請求項４】
箔状の正極集電体および負極集電体の表面にそれぞれ正極活物質層および負極活物質層が形成された正極および負極をセパレータと共に捲回してなる捲回電極体と、該捲回電極体に接合された正負極それぞれの集電端子とを備える二次電池を製造する方法であって、
前記捲回電極体として、捲回軸方向の両端部のうちの一方の端部は、前記正極活物質層の形成されていない正極活物質層非形成部を負極からはみ出した状態で積層して形成し、且つ、該両端部のうちの他方の端部は、前記負極活物質層の形成されていない負極活物質層非形成部を正極からはみ出した状態で積層して形成した捲回電極体を用意する工程と、
前記捲回電極体の両端部に形成された集電体積層部のうち少なくとも一方の該集電体積層部の接合予定部位に、対応する極の集電端子を当接させて、振動体である複数の凸部を有するホーンおよび複数の凸部を有するアンビルを備える超音波溶接装置を用いて前記接合予定部位および該部位に当接された集電端子部分を該ホーンと該アンビルで挟み込み、該ホーンの振動方向を前記捲回軸方向と同じ方向で振動させて超音波溶接する工程と、
を包含し、
ここで前記超音波溶接工程において使用する超音波溶接装置として、前記アンビルに設けられた凸部の数よりも前記ホーンに設けられた凸部の数が少なく、且つ、該ホーンに設けられた凸部の突出形状が該アンビルに設けられた凸部の突出形状よりも大きいものを使用するとともに、該ホーンに設けられた凸部に対向する面側には前記集電体積層部を配置し、該アンビルに設けられた凸部に対向する面側には前記集電端子を配置することにより前記接合予定部位を挟み込んで超音波溶接することを特徴とする、製造方法。
【請求項５】
前記正極集電体および前記正極集電端子の構成材料としてアルミニウムを使用し、前記負極集電体および前記負極集電端子の構成材料として銅を使用するとともに、正極側を前記超音波溶接で接合する、請求項４に記載の製造方法。
【請求項６】
正極側の集電体積層部と集電端子との接合面積が、負極側の集電体積層部と集電端子との接合面積よりも大きくなるように前記超音波溶接を行う、請求項５に記載の製造方法。
【請求項７】
請求項１〜３のいずれかに記載の二次電池、又は請求項４〜６のいずれかに記載の製造方法により製造された二次電池、を備える車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池、詳しくは捲回電極体と集電端子とが超音波溶接により接合されている二次電池とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、リチウム二次電池やニッケル水素電池等の二次電池は、電気を駆動源とする車両搭載用電源、あるいはパソコン及び携帯端末その他の電気製品等に搭載される電源として重要性が高まっている。特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウム二次電池は、車両搭載用高出力電源として好ましく用いられるものとして期待されている。
この種の電池の一形態として、長尺状の集電体（典型的には箔状の集電体）に電極活物質層が保持された正負の電極シートをセパレータと共に捲回して電極体を構成し、その捲回電極体を電解質とともに所定形状（例えば角型や円筒型）の電池ケースに収容してなる捲回型の電池が知られている。このように、電極体を渦巻き状とすることにより電極間の反応面積が大きくなり、エネルギー密度が増大され高出力が可能となる。
【０００３】
かかる捲回電極体と集電端子との接続構造は、正極集電体および負極集電体それぞれの幅方向の一端に沿って電極活物質層が形成されていない活物質層非形成部を設けておき、該集電体の活物質層非形成部が捲回軸方向の一端においてセパレータおよび他方の電極からはみ出すように捲回電極体を構成し、捲回により積層された活物質層非形成部から成る集電体積層部を集電端子に接合することで得られる接続構造を備える。
上記箔状の集電体が積層されて成る集電体積層部と板状の集電端子との接続構造を形成する一般的手段として、スポット溶接、レーザー溶接、抵抗溶接、超音波溶接などの各種溶接方法が挙げられるが、異なる形状部材同士を完全に接合するため高出力条件下で溶接を施すことが求められる。しかしながら、高出力下での溶接は、集電体積層部および／または集電端子に過度の負荷がかかり、過剰発熱、亀裂、箔片の飛散等を引き起こす虞がある。例えば、このような集電体積層部と集電端子との溶接に関する従来技術として特許文献１および２が挙げられる。特許文献２では、上記溶接による集電端子の変形を防止するため、集電端子の形状の一部に湾曲した部分を形成し、高い剛性を有する集電端子を備える電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１８９６８号公報
【特許文献２】特開２００９−２６７０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、正極および負極それぞれの集電体が異なる金属材料が用いられて構築される二次電池の一例として、正極集電体としてアルミニウムを、負極集電体として銅をそれぞれ用いて構築される電池が挙げられるが、アルミニウムの熱伝導率は銅より小さいため、繰り返し充放電する態様で使用した際に発生する熱が正極側では負極側に比べて放熱され難く、正負極間で温度差が発生する。かかる正負極間の温度差が大きくなると、高出力下において良好な容量維持率を保つのが困難となるため好ましくない。また、アルミニウムの表面に形成された酸化膜に阻まれ、正極側の集電体積層部では隣り合う層同士（特に、集電端子に接する内層部分）が十分に接合されていないこともあり、こうした接合不良は、二次電池の特性（ハイレート特性、サイクル特性等）を妨げる要因となり得る。
【０００６】
そこで、本発明は捲回電極体（典型的には集電体積層部）と集電端子との接合に関する従来の問題点を解決すべく創出されたものであり、その目的とするところは、箔状の集電体が積層されて成る正負いずれかの集電体積層部と対応する正負いずれかの集電端子とが超音波溶接で接合されていることを特徴とする二次電池であって、該集電体積層部が十分に接合され、集電端子が該集電体積層部から剥離され難い接合強度に優れた信頼性の高い二次電池を提供することである。また、このような該電池の製造方法、および該電池を備える車両を提供することを他の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を実現するべく本発明により、箔状の正極集電体および負極集電体の表面にそれぞれ正極活物質層および負極活物質層が形成された正極および負極をセパレータと共に捲回してなる捲回電極体と、該捲回電極体に接合された正負極それぞれの集電端子とを備える二次電池が提供される。ここで開示される二次電池は、上記捲回電極体における捲回軸方向の両端部のうちの一方の端部は、上記正極活物質層の形成されていない正極活物質層非形成部が負極からはみ出た状態で積層されて構成され、且つ、該両端部のうちの他方の端部は上記負極活物質層の形成されていない負極活物質層非形成部が正極からはみ出た状態で積層されて構成され、上記捲回電極体の両端部に構成された正負極それぞれの集電体積層部のうち少なくとも一方の極の集電体積層部は、超音波溶接により上記集電端子と接合されており、上記超音波溶接により上記集電体積層部の表面側に形成された溶接凹部の数は、上記集電端子の表面側に形成された溶接凹部の数よりも相対的に少なく、該集電体積層部の表面側に形成された溶接凹部の陥没は、該集電端子の表面側に形成された溶接凹部の陥没よりも深く形成されていることを特徴とする。
【０００８】
なお、本明細書において「二次電池」とは、繰り返し充電可能な蓄電デバイス一般をいい、リチウム二次電池（典型的にはリチウムイオン電池）、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池等のいわゆる蓄電池ならびに電気二重層キャパシタ等の蓄電素子（物理電池）を包含する用語である。
また、本明細書において「電極活物質層」とは、二次電池において電荷担体となる化学種を可逆的に吸蔵および放出（典型的には挿入および脱離）可能な活物質を含む電極集電体の表面に形成されている層をいう。
【０００９】
上記のような構成の捲回電極体（例えばリチウム二次電池）は、典型的には、長尺状の集電体（例えばアルミニウム箔）の表面に正極活物質（例えばＬｉＮｉＯ２等のリチウム複合酸化物を含むペースト）を付与してなる正極活物質層を備えたシート状の正極と、同じく長尺状の集電体（例えば銅箔）の表面に負極活物質（例えばグラファイト等の炭素系材料を含むペースト）を付与してなる負極活物質層を備えたシート状の負極とから主に構成され、これらの各電極を、多孔質な樹脂材料からなるセパレータを間に挟んで重ね合わせて捲回することにより得られる。当該正極シートまたは負極シートの少なくとも一方（典型的には正極シート）における集電体には、活物質が付与されていない領域（即ち、活物質層非形成部）が該集電体の捲回軸方向の端部に沿って設けられている。上記正極シートと負極シートとを重ね合わせる際には、互いの活物質層が形成されている領域はセパレータを介して重ね合わせ、一方の電極シートの活物質層非形成部については、他方の電極シートからはみ出すように配置する。従って、上記電極シート同士がセパレータを介して重ねて捲回して得られる捲回電極体の両端部には、正極集電体の活物質層非形成部および負極集電体の活物質層非形成部が、それぞれ積層された状態の集電体積層部が構成される。
【００１０】
ここに開示される二次電池は、上記捲回電極体の両端部に構成された集電体積層部のうち少なくとも一方の極の集電体積層部が、超音波溶接により集電端子と接合されている。ここで、超音波溶接は、超音波溶接装置の振動体であるホーンとそれに協働するアンビルとで接合する部材を挟み込み、該ホーンおよびアンビルに設けられた凸部を高加圧で接合部材に押し当てながら、一定の振幅の振動をホーンから与えることにより接合し得る溶接方法である。本発明では、かかる超音波溶接を用いて集電体積層部と集電端子とが接合されており、該集電体積層部と該集電端子との溶接部分の表面側には、該ホーンおよびアンビルに設けられた凸部が押し当てられたことにより溶接凹部がそれぞれ形成されている。そして、ここに開示される二次電池は、集電体積層部の表面側に形成された溶接凹部の数は、集電端子の表面側に形成された溶接凹部の数よりも相対的に少なく、且つ、該集電体積層部の表面側に形成された溶接凹部の陥没は、該集電端子の表面側に形成された溶接凹部の陥没よりも深く形成されている。
箔状の集電体が積層されて成る集電体積層部は、隣り合う層同士（特に、集電端子に接する内層部分）の接合が弱くなりがちであるが、ここに開示される二次電池では、該集電体積層部に該溶接凹部がしっかりと食い込まれて陥没を形成しているため、集電体積層部の内層部分でも隣り合う層同士が強固に接合されている。また、集電端子の表面側に形成された溶接凹部が、集電体積層部の表面側に形成された溶接凹部よりも該溶接凹部の数が多く形成されているため、集電端子側は多点で溶接されて集電体積層部に接合されている。このように多点溶接が施されることによって、集電端子の集電体積層部に対する接合強度が向上されている。さらに、多点溶接により超音波溶接時の荷重が分散されているため、集電端子を変形されたり、集電体を傷つけて亀裂や破断されたりするなどの虞が低減されている。その結果、高品質で信頼性の高い二次電池を提供することができる。
【００１１】
また、本発明によって提供される二次電池の好ましい一態様では、上記正極集電体および上記正極集電端子の構成材料としてアルミニウムが使用され、上記負極集電体および上記負極集電端子の構成材料として銅が使用された二次電池であって、該電池の正極側が超音波溶接で接合されている。
正極集電体および正極集電端子の構成材料としてアルミニウムが用いられた二次電池では、アルミニウムの表面に形成された酸化膜のため接合強度にばらつきが発生し易いが、ここに開示される超音波溶接で正極集電体積層部と正極集電端子とが接合された二次電池では、ホーンによる振動を受けて酸化膜が擦れて除去されアルミニウム製の部材同士が固相接合されているため、強固な接合状態が形成されている。その結果、確実で安定した電気的接続を保持する（例えば、安定して高出力を発揮する）信頼性の高い二次電池を提供することができる。
【００１２】
さらに、ここに開示される方法の好ましい一態様では、上記集電体積層部と上記集電端子との接合面積は、正極側に形成された接合面積の方が負極側に形成された接合面積よりも大きい。
アルミニウムの熱伝導率が銅より小さいことから、正極集電体および正極集電端子の構成材料としてアルミニウムが用いられた二次電池（例えば、リチウム二次電池）では、繰り返し充放電する態様で使用した際に発生する熱が正極側は負極側に比べて放熱され難い。しかしながら、ここに開示される方法の好ましい一態様では、正極側に形成された接合面積の方が負極側に形成された接合面積よりも大きく形成されているため、正極側の熱伝導が向上し放熱され易くなる。これにより、高出力下においても良好な容量維持率を有するハイレート特性またはサイクル特性に優れた高品質の二次電池を提供することができる。
【００１３】
また、本発明は、他の側面として、リチウム二次電池の製造方法を提供する。すなわち、ここに開示される製造方法は、箔状の正極集電体および負極集電体の表面にそれぞれ正極活物質層および負極活物質層が形成された正極および負極をセパレータと共に捲回してなる捲回電極体と、該捲回電極体に接合された正負極それぞれの集電端子とを備える二次電池を製造する方法であって、（１）上記捲回電極体として、捲回軸方向の両端部のうちの一方の端部は、上記正極活物質層の形成されていない正極活物質層非形成部を負極からはみ出した状態で積層して形成し、且つ、該両端部のうちの他方の端部は、上記負極活物質層の形成されていない負極活物質層非形成部を正極からはみ出した状態で積層して形成した捲回電極体を用意する工程と、（２）上記捲回電極体の両端部に形成された集電体積層部のうち少なくとも一方の該集電体積層部の接合予定部位に、対応する極の集電端子を当接させて、振動体である複数の凸部を有するホーンおよび複数の凸部を有するアンビルを備える超音波溶接装置を用いて上記接合予定部位及び該部位に当接された集電端子部分を該ホーンと該アンビルで挟み込み、該ホーンの振動方向を上記捲回軸方向と同じ方向で振動させて超音波溶接する工程、とを包含する。ここで、記超音波溶接工程において使用する超音波溶接装置として、上記アンビルに設けられた凸部の数よりも上記ホーンに設けられた凸部の数が少なく、且つ、該ホーンに設けられた凸部の突出形状が該アンビルに設けられた凸部の突出形状よりも大きいものを使用するとともに、該ホーンに設けられた凸部に対向する面側には上記集電体積層部を配置し、該アンビルに設けられた凸部に対向する面側には上記集電端子を配置することにより上記接合予定部位を挟み込んで超音波溶接することを特徴とする。
超音波溶接装置として、上記アンビルに設けられた凸部の数よりも上記ホーンに設けられた凸部の数が少なく、且つ、該ホーンに設けられた凸部の突出形状が該アンビルに設けられた凸部の突出形状よりも大きいものを使用し、そして振動体ホーンに設けられた凸部が上記集電体積層部に押し当てられるように配置することにより、箔状の集電体が積層されて成る集電体積層部に対して該ホーンの凸部が深くしっかりと食い込む。これにより、集電体積層部の隣り合う各層同士を強固に接合することができる。また、集電端子に対向する面側に配置されるアンビルは、ホーンよりも凸部の数が多いものを用いるため、集電端子側を多点溶接することができる。多点溶接により超音波溶接時の荷重を分散することができ、集電端子を変形させたり、集電体を傷つけて亀裂や破断させたりする虞が軽減される。また、多点溶接を行うことにより、集電端子の集電体積層部に対する接合強度が向上する。さらに、上記ホーンの振動方向を捲回軸方向と同じ方向に設定することにより、ホーンから与えられる振動に伴う集電体の亀裂や破断を防ぐことができる。その結果、高品質で信頼性の高い二次電池の製造方法を提供し得る。
【００１４】
また、ここに開示される方法の好ましい一態様では、上記正極集電体および上記正極集電端子の構成材料としてアルミニウムを使用し、上記負極集電体および上記負極集電端子の構成材料として銅を使用するとともに、正極側を上記超音波溶接で接合する。アルミニウムの表面に形成された酸化膜のため正極側の接合強度にばらつきが発生し易いが、ここに開示される二次電池の製造方法によると、超音波溶接に伴う振動体のホーンの振幅を受けて、アルミニウムの酸化膜が擦れて除去されるため、正極集電体積層部の隣り合う各層同士が固相接合し、正極集電体積層部と正極集電端子との接合についても強固な接合状態を形成することができる。その結果、確実で安定した電気的接続を保持する（例えば、安定して高出力を発揮する）信頼性の高い二次電池の製造方法を提供することができる。
【００１５】
また、好ましい一態様では、正極側の集電体積層部と集電端子との接合面積が、負極側の集電体積層部と集電端子との接合面積よりも大きくなるように上記超音波溶接を行う。正極側の接合面積の方が負極側の接合面積よりも大きくなるように超音波溶接を行うことにより二次電池の正極側の熱伝導性が向上し、電池内部に発生した熱が放熱され易くなる。これにより、高出力下においても良好な容量維持率を有するハイレート特性またはサイクル特性に優れた高品質の二次電池の製造方法を提供することができる。
【００１６】
また、本発明によると、ここに開示される二次電池（ここに開示されるいずれかの方法により製造された二次電池であり得る。）を備える車両を提供する。本発明によって提供される二次電池は、特に車両に搭載される電池の電源として適した品質および性能（例えば高出力）を示すものであり得る。したがって、ここに開示される二次電池は、ハイブリッド自動車、電気自動車のような電動機を備える自動車等の車両に搭載されるモーター（電動機）用の電源として好適に使用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】一実施形態に係る二次電池の外形を模式的に示す斜視図である。
【図２】図１におけるII−II線断面図である。
【図３】電極体を捲回して作製する状態を模式的に示す斜視図である。
【図４】超音波溶接装置のホーンの外形を模式的に示す平面図（上）および正面図（下）である。
【図５】超音波溶接装置のアンビルの外形を模式的に示す平面図（上）および正面図（下）である。
【図６】超音波溶接する際の集電体積層部と集電端子とを挟み付けるようして配置されるホーンとアンビルを示す模式図である。
【図７】捲回電極体の側面図であって、溶接可能範囲を模式的に示す図である。
【図８】集電体積層部と集電端子との接合部位の断面構造を示す電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【図９】図８の一部を拡大した写真であって、集電体積層部と集電端子との接合部位の断面構造を示す写真である。
【図１０】図８の一部を拡大した写真であって、集電体積層部における各層の接合部位の断面構造を示す写真である。
【図１１】本発明の二次電池を備えた車両（自動車）を模式的に示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。
【００１９】
本発明に係る二次電池は、箔状の集電体の表面に電極活物質層が形成された正極および負極をセパレータと共に捲回してなる捲回電極体（以下、単に「電極体」ということもある。）と、該電極体（典型的には、後述する集電体積層部）に接合される集電端子とを備える構成の二次電池に対して好適に適用され得る。このような二次電池としては、リチウム二次電池、ニッケル水素電池等の蓄電池や、電気二重層キャパシタ等の蓄電素子を包含する電池が挙げられる。
以下、ここに開示される二次電池として、捲回電極体を備えるリチウム二次電池（リチウムイオン電池）を例にして詳細に説明するが、本発明をかかる実施形態に限定することを意図したものではない。正極および負極の電極活物質、電解質、電池ケース等の構成は特に限定されない。例えば、電池ケースは直方体状、扁平形状等の形状であり得、電解質の構成材料は、用途（典型的には車載用）によって適切に変更することができる。
なお、以下の図面において、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付し、重複する説明は省略又は簡略化することがある。また、各図における寸法関係（長さ、幅、厚さ等）は実際の寸法関係を反映するものではない。
【００２０】
図１は、一実施形態に係る角型形状のリチウム二次電池を模式的に示す斜視図であり、図２は、図１中のII−II線断面図である。また、図３は、電極体を捲回して作製する状態を模式的に示す斜視図である。
図１および図２に示されるように、本実施形態に係るリチウム二次電池１００は、直方体形状の角型の電池ケース１０と、該ケース１０の開口部１２を塞ぐ蓋体１４とを備える。また、電池ケース１０内部には、上記開口部１２より収容された扁平形状の捲回電極体２０および電解質が配置されている。そして、上記蓋体１４には、外部接続用の外部正極端子３８と外部負極端子４８とが設けられており、外部端子３８，４８の一部はケース内部で正極端子３７または外部負極端子４７にそれぞれ接続されている。
【００２１】
次に、図２および図３を参照し、本実施形態に係る捲回電極体２０について説明する。図２に示されるように、捲回電極体２０は、長尺状の正極集電体３２の表面に正極活物質層３４を有するシート状の正極シート３０、長尺シート状のセパレータ５０、長尺状の負極集電体４２の表面に負極活物質層４４を有するシート状の負極シート４０とから構成される。そして、図３に示されるように、捲回軸方向Ｒの方向での断面視において、正極シート３０及び負極シート４０は、２枚のセパレータ５０を介して積層されており、正極シート３０、セパレータ５０、負極シート４０、セパレータ５０の順に積層されている。該積層物は、軸芯（図示しない）の周囲に筒状に捲回され、得られた捲回電極体２０を側面方向から押しつぶして拉げさせることによって扁平形状に成形されている。
【００２２】
図３に示されるように、本実施形態に係る捲回電極体２０は、その捲回軸方向Ｒの中心部には、正極集電体３２の表面上に形成された正極活物質層３４と、負極集電箔体４２の表面上に形成された負極活物質層４４とが重なり合って密に積層された部分が形成されている。また、上記捲回軸方向Ｒに沿う方向での断面視において、該方向Ｒの一方の端部において、正極活物質層３４が形成されずに正極集電体３２の露出した部分（正極活物質層非形成部３６）がセパレータ５０および負極シート４０（あるいは、正極活物質層３４と負極活物質層４４との密な積層部分）からはみ出た状態で積層されて構成されている。即ち、上記電極体２０の端部には、正極集電体３２における正極活物質層非形成部３６が積層されて成る正極集電体積層部３５が形成されている。また、電極体２０の他方の端部も正極シート３０と同様の構成であり、負極集電体４２における負極活物質層非形成部４６が積層されて、負極集電体積層部４５が形成されている。
なお、セパレータ５０は、ここでは正極活物質層３４および負極活物質層４４の積層部分の幅より大きく、該電極体２０の幅より小さい幅を備えるセパレータが用いられ、正極集電体３２と負極集電体４２が互いに接触して内部短絡を生じさせないように正極活物質層３４および負極活物質層４４の積層部分に挟まれるように配されている。ただし、セパレータの幅は特に限定されるものではなく、該電極体２０と同じかそれよりも大きい幅を備えるセパレータが用いられ、正極活物質層非形成部３６および負極活物質層非形成部４６からはみ出た状態でセパレータが配された構成でもよい。
【００２３】
かかる捲回電極体２０を構成する材料及び部材自体は、従来のリチウム二次電池に備えられる電極体と同様でよく、特に制限はない。
例えば、正極集電体３２としては、導電性の良好な金属からなる導電性部材が好ましく用いられる。アルミニウム（Ａｌ）、アルミニウムを主成分とする合金、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）等の金属からなる箔材（好ましくはアルミニウム箔）を用いることができる。本実施形態では、アルミニウム箔が用いられている。また、正極活物質は、従来からリチウム二次電池に用いられる物質の一種又は二種以上を特に限定なく使用することができる。好適例として、層状構造の酸化物系正極活物質や、スピネル構造の酸化物系正極活物質等を好ましく用いることができる。例えば、リチウムニッケル系複合酸化物、リチウムコバルト系複合酸化物、リチウムマンガン系複合酸化物等のリチウム遷移金属複合酸化物が挙げられる。なお、一般式がＬｉＭＰＯ４（ＭはＣｏ、Ｎｉ、ＭｎおよびＦｅのうちの少なくとも一種以上の元素；例えばＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＭｎＰＯ４）で表記されるオリビン型のリチウム含有リン酸化合物でもよい。
負極集電体４２としては、導電性の良好な金属からなる導電性部材が好ましく用いられる。例えば銅（Ｃｕ）等の金属からなる箔材（好ましくは銅箔）を用いることができる。本実施形態では、銅箔が用いられている。負極活物質としては、従来からリチウム二次電池に用いられる物質の一種又は二種以上を特に限定なく使用することができる。例えば、好適な負極活物質としてカーボン粒子が挙げられる。少なくとも一部にグラファイト構造（層状構造）を含む粒子状の炭素材料（カーボン粒子）が好ましく用いられる。いわゆる黒鉛質のもの（グラファイト）、難黒鉛化炭素質のもの（ハードカーボン）、易黒鉛化炭素質のもの（ソフトカーボン）、これらを組み合わせた構造を有するもののいずれの炭素材料も好適に使用され得る。
正極シート３０および負極シート４０間に使用される好適な長尺シート状のセパレータ５０として、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン等の多孔質ポリオレフィン系樹脂を好ましく用いることができる。なお、電解質として固体電解質もしくはゲル状電解質を使用する場合には、一般的に用いられている上記樹脂製のセパレータが不要な場合（即ち、この場合には電解質自体がセパレータとして働く）があり得る。
【００２４】
また、正極集電端子３７および負極集電端子４７の材質は従来の電池で使用されるものと同じであればよく、接合対象となる集電体３２、４２の材質と同じものを適宜使用することができる。例えば、好適な正極集電体３２および正極集電端子３７の材質としてアルミニウムを、好適な負極集電体４２および負極集電端子４７の材質として銅を、それぞれ挙げることができる。
【００２５】
次に、図２を参照にしつつ、本実施形態に係る捲回電極体２０における正極シート３０の端部の構成について説明する。図２に示されるように、上記捲回電極体２０の正極シート３０の端部は、正極集電体３２における正極活物質層非形成部３６が積層されて形成された正極集電体積層部３５が露出した状態を構成している。そして、該正極集電体積層部３５の一部に正極集電端子３７が超音波溶接によって接合されており、捲回電極体２０の正極シート３０と電気的に接続されている。超音波溶接の方法については後述するが、超音波溶接は、超音波溶接装置の振動体であるホーンとそれに協働するアンビルとで接合する部材を挟み込み、該ホーンおよびアンビルに設けられた凸部を高加圧で接合部材に押し当てながらホーンの振動を与えることにより接合し得る溶接方法である。
【００２６】
ここに開示される二次電池の好適な一態様では、かかる超音波溶接を用いて正極集電体積層部３５と正極集電端子３７とが接合されており、該集電体積層部３５と該集電端子３７との溶接部分の表面側には、超音波溶接装置に備えられるホーンおよびアンビルに設けられた凸部が押し当てられたことにより形成された溶接凹部がそれぞれ形成されている。該溶接凹部は、正極集電体積層部３５の表面側に形成された溶接凹部６０の方が、正極集電端子３７の表面側に形成された溶接凹部（図示しない）よりも、該凹部の陥没が深く形成されている。箔状の正極集電体３２が積層されて成る正極集電体積層部３５は、隣り合う層同士、特に正極集電端子３７に近い内層部分においてはその接合が弱くなりがちであるが、ここに開示される二次電池１００では、該集電体積層部３５に該溶接凹部６０がしっかりと食い込まれているため、正極集電体積層部３５の内層部分でも隣り合う各層同士が強固に接合されている。
【００２７】
また、正極集電端子３７の表面側に形成された溶接凹部は、正極集電体積層部３５の表面側に形成された溶接凹部６０よりも該溶接凹部の数が相対的に多く形成されている。このように、集電端子３７側は多点で溶接されて集電体積層部３５に接合されることによって、集電端子３７の集電体積層部３５に対する接合強度が向上されている。さらに、多点溶接により超音波溶接時の荷重が分散されているため、集電端子が変形されたり、集電体を傷つけて亀裂や破断されたりするなどの虞が低減されている。
【００２８】
なお、捲回電極体２０の他方の端部である負極側の接続構造は、特に限定するものではないが、本実施形態に係る負極集電体４２および負極集電端子４７は、構成材料として銅が用いられているため、負極集電体積層部４５と負極集電端子４７との接合は、抵抗溶接で接合されている。負極側に使用される銅は、アルミニウムの熱伝導率に比べて大きいため、抵抗溶接で接合することにより良好な接合状態が形成される。
【００２９】
また、ここに開示される二次電池の好ましい一態様では、正極側に形成された集電体積層部と集電端子との溶接部６０の接合面積の方が、負極側に形成された集電体積層部と集電端子との溶接部７０の接合面積よりも大きく形成されている。アルミニウムの熱伝導率が銅より小さいことから、繰り返し充放電する態様で用いられる二次電池の正極側は負極側に比べて放熱され難い。しかしながら、ここに開示される二次電池の好ましい一態様では、正極側に形成された接合面積の方が負極側に形成された接合面積よりも大きく形成されているため、正極側の熱伝導が向上し放熱され易くなる。これにより、高出力下においても良好な容量維持率を有するハイレート特性またはサイクル特性に優れた高品質の二次電池となり得る。なお、かかる接合面積の比率については、ここでは特に限定しないが、本実施形態では、正極側に形成された接合面積と、負極側に形成された接合面積との比が、５：３になるように形成されている。
【００３０】
次いで、図４〜６を参照にしつつ、ここに開示される正極集電体積層部と正極集電体とを超音波溶接で接合する方法について説明する。
まず、振動体である複数の凸部を有するホーンおよび複数の凸部を有するアンビルを備える超音波溶接装置を用意する。図４は、超音波溶接装置のホーンの外形を模式的に示す図であり、図５は、超音波溶接装置のアンビルの外形を模式的に示す図であるが、図４および図５に示されるように、本実施形態で使用する超音波溶接装置のホーン６２およびアンビル６６には、それぞれ複数の凸部６４、６８が設けられている。そして、アンビル６６に設けられた凸部６８の数よりも該ホーン６２に設けられた凸部６４の数が少なく、且つ、該ホーン６２に設けられた凸部６４の突出形状が該アンビル６６に設けられた凸部６８の突出形状よりも大きいものが用いられる。
【００３１】
上記ホーン６２およびアンビル６６それぞれの凸部６４、６８の突出形状としては、接合する部材に押し付けることができるような突起状のものである限り、特に限定するものではないが、例えば、多角錐や円錐、または先端部が切り落とされた多角錐や円錐、あるいは円筒や半球などの形状が好ましい。なお、本実施形態で用いた四角錐（ピラミッド型）は、凸部の形状として特に好ましい形状の一例である。
【００３２】
また、上記ホーン６２およびアンビル６６それぞれの凸部６４、６８の数は、いずれも複数個設けられており、アンビル６６に設けられた凸部６８よりも、ホーン６２に設けられた凸部６４の方が該凸部の数が少なく構成されている。ただし、それぞれの凸部も数は限定するものではなく、接合部位の溶接する面積に応じて、凸部の数を適宜調整することができる。また、該凸部の配列についても特に制限されるものではないが、例えば、該凸部が単列、または複列（千鳥模様、市松模様などのパターン性を有する配置の他、規則性なしに配置されていてもよい）に配置されたものを用いることができる。本実施形態では、ホーン６２として、底面の長さが２ｍｍ、高さが２．４ｍｍのピラミッド型に形成された凸部（５個）が２列に配置されたものを用いている。またアンビル６６は、ホーン６２の該凸部６６より小さな凸部６８（底面の長さが１ｍｍ、高さが０．５ｍｍのピラミッド型）が千鳥模様に配置されたものを用いている。
【００３３】
図６は、超音波溶接する際の集電体積層部と集電端子とを挟み付けるようして配置されるホーンとアンビルを示す模式図である。まず、図６に示すように、超音波溶接により正極集電体積層部３５に正極集電端子３７を接合する際には、上記捲回電極体２０の正極側の端部に位置する正極集電体積層部３５の接合予定部位に正極集電端子３７を当接させて、該接合予定部位を上記ホーン６２およびアンビル６６を備える超音波溶接装置を用いて該接合予定部位および該部位に当接した集電端子部分を該ホーンと該アンビルで挟み込み、超音波溶接を行う。
【００３４】
ここで、上記正極集電体積層部３５における接合予定部位は、以下のようにして決定することができる。図７は、図３における捲回電極体２０の側面図であって、溶接可能範囲を模式的に示す図である。図中の文字は、Ｄ：溶接可能範囲、ａ：電極体の長さ、ｂ：電極体の厚さ、ｒ１：溶接箇所によって変動する電極体の曲率（ｂ／２）、ｒ２：溶接箇所によって変動する電極体の曲率（ただしｒ２≧ｒ１の関係を満たす）をそれぞれ示す。
【００３５】
溶接可能範囲Ｄは、電極体２０の長さａが大きいほど、また電極体２０の厚さｂが小さいほど、溶接範囲が大きくなるため、集電体積層部３５の広い範囲が溶接可能範囲となる。しかしながら、溶接可能範囲Ｄの両端が扁平形状の捲回電極体のループ部分（捲回軸方向Ｒに対向する方向での断面視において、該方向の両端部に形成されたループ状の部分）に近づくほど、該ループ部分付近を溶接する際にスパッタが電極体内部に飛散する虞がある。また、溶接箇所によって変動する電極体の曲率ｒ２が小さくなるため、捲回電極体２０の該ループ部分に局所的に大きな負荷がかかり、集電体に亀裂や折れ曲がりができ易くなる。そこで、溶接可能範囲Ｄを下式（１）により算出することにより、良好な溶接が行い得る範囲を決めることができる。
【００３６】
【数１】
2010282846.tif 000003
【００３７】
上式（１）により溶接可能範囲Ｄを求めた後に、上記接合予定部位をかかる溶接可能範囲Ｄに含まれるように設定する。これにより、該接合予定部位を溶接しても、スパッタが電極体内部に飛散するのが抑制され、内部短絡の発生を防止し得る。また、上記ループ部分に局所的な負荷がかかるのが緩和されるため、集電体を傷つけることなく超音波溶接することができる。さらに、上記接合予定部位を、集電体積層部３５に接合させる集電端子３７を外部集電端子３８（図１参照）との接続側に近づけた位置に設定することにより、最小限必要な集電端子３７の長さを設計することができ、資源コストの低減を図ることができる。
【００３８】
溶接可能範囲Ｄを求め接合予定部位を決定したら、該接合予定部位に正極集電端子３７を当接させ、上記集電体積層部の接合予定部位および当接した集電端子部分を挟み込むように超音波溶接装置のホーン６２とアンビル６６との間に配置する。このとき、上記ホーン６２に設けられた凸部６４に対向する面側に上記正極集電体積層部３５を配置し、上記アンビル６６に設けられた凸部６８に対向する面側に上記正極集電端子３７を配置する。そして、超音波溶接装置のホーン６２を正極集電体積層部３５に押し当て、加圧しながらホーンを振幅させて振動させることにより、該正極集電体積層部３５と正極集電端子３７とを接合する。また、このとき上記ホーン６２の振動方向Ｖを捲回軸方向Ｒと同じ方向に設定することにより、ホーン６２の振動による集電体の亀裂や破断を防ぐことができる。なお、超音波装置の溶接条件は、特に限定するものではないが、本実施形態では、荷重１．０×１０４Ｎ（１００ｋｇｆ）、周波数２０ｋＨｚ、溶接時間１５０ｍｓで溶接を行った。
【００３９】
このように、超音波溶接装置の振動体ホーン６２に設けられた凸部６４を上記正極集電体積層部３５に押し当てられるように配置することにより、箔状の集電体が積層されて成る集電体積層部３５に対して該ホーン６２の凸部６４がしっかりと食い込み、該凸部以外の平坦部が集電体積層部３５に荷重をかけることにより、集電体積層部３５の隣り合う各層同士を強固に接合することができる。また、従来、正極集電体および正極集電端子の構成材料としてアルミニウムが用いられて超音波溶接された二次電池では、アルミニウムの表面に形成された酸化膜のため、超音波による振動が該正極集電体積層部の内層部分まで伝播されず、強固な接合状態が形成されていないことがあった。しかしながら、ここに開示される方法によると、ホーン６２に設けられた突出形状の大きな凸部６４が超音波溶接でアルミニウム表面の酸化膜を擦り取るため、集電体積層部の全層が良好に固相接合し、強固な接合状態を形成することができる。その結果、確実で安定した電気的接続を保持する（例えば、安定して高出力を発揮する）信頼性の高い二次電池となり得る。
【００４０】
さらに、正極集電端子３７に対向する面側に配置されるアンビル６６は、ホーン６２に設けられた凸部６４の数よりも、凸部の数が多いものを用いるため、該集電端子３７は多点で溶接することができる。多点溶接により超音波溶接時の荷重を分散することができ、正極集電端子３７を変形させたり、正極集電体積層部３５を傷つけて亀裂や破断させたりする虞が軽減される。また、多点溶接を行うことによって、正極集電端子３７の正極集電体積層部３５に対する接合強度が向上する。これにより、集電体積層部と集電端子とが剥離され難い接合強度に優れた信頼性の高い二次電池を製造し得る。
【００４１】
図８は、超音波溶接で接合した正極集電体積層部３５と正極集電端子３７との接合部位の断面の電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。また、図９は、図８の一部を拡大した写真であって、正極集電体積層部３５と集電端子３７と層間部分の断面構造を示す写真である。図１０は、図８の一部を拡大した写真であって正極集電体積層部３５における各層の断面構造を示す写真である。
図８の電子顕微鏡写真から明らかなように、正極集電体積層部の表面には、溶接凹部が形成されていることが確認された。また、該写真の一部を拡大した図９の写真によると、正極集電体積層部３５と集電端子３７との層間部分は良好な溶融状態で接合されていることが確認された。さらに、図１０の写真によると、正極集電体積層部３５における各層は固相接合で互いの層が結合していることが確認された。
【００４２】
続いて本実施形態で使用され得る電池の構成及び電池を構成する各材料などについて説明する。上述したように電池１００は正極および負極をセパレータと共に捲回してなる捲回電極体２０と、該電極体２０および電解質を収容する電池ケース１０とを備える。
【００４３】
まず、電池ケース１０の構成について説明すると、電池ケース１０の材質は従来の単電池で使用されるものと同じであればよく特に制限はないが、比較的軽量な材質が挙げられる。例えば、好ましくは表面に絶縁用樹脂コーティングが施されているような金属製電池ケース、あるいは、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂その他の合成樹脂製電池ケースが好適である。
【００４４】
また、電池ケース１０内に上記捲回電極体２０と共に収容される電解質は、従来からリチウム二次電池に用いられる非水電解液と同様のものを特に限定なく使用することができる。かかる非水電解液は、典型的には、適当な非水溶媒に支持塩を含有させた組成を有する。上記非水溶媒としては、例えば、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）等からなる群から選択された一種又は二種以上を用いることができる。また、上記支持塩としては、例えば、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６等のリチウム化合物（リチウム塩）を用いることができる。
【００４５】
次に、二次電池を構築する手順を説明する。上記正極集電端子３７および負極集電端子４７の一部を蓋体１４の外部に配置される外部接続用正極端子３８および外部接続用負極端子４８の各々と電気的に接続する。そして、捲回電極体を電池ケース１０に収容するとともに、電解質を注液し、電池ケース１０の開口部１２を当該電池ケース１０とそれに対応する蓋体１４で封止して、リチウム二次電池１００の構築（組み立て）が完成する。なお、電池ケース１０の封止方法等は、従来のリチウム二次電池の製造で行われている手法と同様でよく、本発明を特徴付けるものではない。
【００４６】
以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。例えば、二次電池の種類は上述したリチウム二次電池に限られず、電極体構成材料や電解質が異なる種々の内容の電池、例えばリチウム金属やリチウム合金を負極とするリチウム二次電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、或いは電気二重層キャパシタであってもよい。また、上述した角型電池に限られず、種々の形状（円筒型、コイン型等）を備える二次電池に適用することができる。また、該電池の大きさおよびその他の構成についても、用途（典型的には車載用）によって適切に変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明に係る二次電池（ここに開示されるいずれかの方法により製造された二次電池であり得る。）は、上述したように電池特性（サイクル特性またはハイレート特性）に優れているため、自動車等の車両に搭載されるモーター（電動機）用電源として好適に使用し得る。したがって本発明は、図１１に模式的に示すように、かかる二次電池（当該電池１００を複数個直列に接続して形成される組電池の形態であり得る。）１００を電源として備える車両１（典型的には自動車、特にハイブリッド自動車、電気自動車のような電動機を備える自動車）を提供する。
【符号の説明】
【００４８】
１  車両
１０  電池ケース
１２  開口部
１４  蓋体
２０  捲回電極体
３０  正極シート
３２  正極集電体
３４  正極活物質層
３５  正極集電体積層部
３６  正極活物質層非形成部
３７  正極集電端子
３８  外部正極集電端子
４０  負極シート
４２  負極集電体
４４  負極活物質層
４５  負極集電体積層部
４６  負極活物質層非形成部
４７  負極集電端子
４８  外部負極集電端子
５０  セパレータ
６０  正極側の溶接部
６２  ホーン
６４  ホーンの凸部
６６  アンビル
６８  アンビルの凸部
７０  負極側の溶接部
１００  二次電池
Ｒ  捲回軸方向
Ｖ  振動方向
【図１】
2010282846.tif 000004
【図２】
2010282846.tif 000005
【図３】
2010282846.tif 000006
【図４】
2010282846.tif 000007
【図５】
2010282846.tif 000008
【図６】
2010282846.tif 000009
【図７】
2010282846.tif 000010
【図１１】
2010282846.tif 000011
【図８】
2010282846.tif 000012
【図９】
2010282846.tif 000013
【図１０】
2010282846.tif 000014